KR101071240B1 - 풍속 증강장치 및 이를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍속 증강장치 및 이를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템에 관한 것으로서, 특히 건물 옥상의 바닥 끝단에 설치되는 제 1집풍 부재와, 상기 제 1집풍 부재의 후단인 건물 옥상 바닥에서 수직으로 설치되는 복수의 기둥과, 상기 기둥에 설치되는 제 2집풍 부재로 이루어지는 풍속 증강장치와; 상기 풍속 증강장치의 후단에 설치되어 상기 풍속 증강장치에서 집풍되어 가속된 풍력에 의해 회전되어 전기를 생산하는 풍력 발전장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 건물 옥상에서 장식 철물과 동일한 형태를 가지는 풍속증강장치를 설치하여 풍속을 증폭하고, 풍속증강장치의 후단에 설치된 풍력 발전기에 작용하도록 함으로써 풍력 발전기의 발전 성능을 최대가 되도록 하여 건물 풍력 발전의 효율성을 강화시킬 수 있다.

Description

풍속 증강장치 및 이를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템{APPARATUS FOR INCREASING WIND SPEED AND TOWER ROOF TYPE WIND POWER GENERATION SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 풍속 증강장치 및 이를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 건물 풍력 발전에 있어 건물 옥상에 형성되는 저풍속을 고풍속으로 증가시키도록 하는 풍속 증강장치 및 이를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 바람을 이용하여 발전을 하는 풍력 발전기는 발전기의 회전축에 풍차를 설치하여, 바람에 의해 풍차가 회전됨에 따라 발생되는 회전력을 이용하여 발전을 할 수 있도록 구성된다. 이러한 풍력 발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 통상적으로 블레이드, 변속장치 및 발전기로 구성되며, 풍력 발전기의 블레이드를 회전시킴으로써, 이때 발생한 블레이드의 회전력으로 전기를 생산한다.

여기서, 블레이드는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이고, 변속장치는 블레이드에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시키며, 발전기는 블레이드에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.

이러한 풍력 발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 풍차와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 풍차로 구분된다. 수평축 풍차는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는다. 수직축 풍차는 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용할 수 있지만, 그 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 풍력 발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고 있다. 또한, 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많다. 예를 들면, 풍력으로 발전하려면 평균 초속 4m/s 이상으로 부는 바람이 필요하다.

그런데, 이러한 풍력 발전기는 비교적 높은 풍속의 바람이 불어야만 풍차가 회전되어 발전이 이루어지므로, 바람이 많이 부는 특정한 지역을 제외하고 풍력 발전기를 설치하는 것이 부적절하며, 바람의 에너지를 전기로 변환하는 효율이 매우 낮은 문제점이 있었다.

한편, 풍력 발전은 저렴한 비용으로 전기를 얻는다는 장점이 있기 때문에, 현재 직면해 있는 화석 에너지의 고갈 및 환경오염 문제에 대한 대안으로서 그리고 무공해 대체 에너지로서 각광받고 있다.

풍력 발전으로는 대형 풍력 발전방식과 소형 풍력 발전방식이 있는데, 대형 블레이드를 이용하는 대형 풍력 발전은 소형 풍력 발전에 비해 발전 단가가 적다는 이점이 있다.

하지만, 대형 풍력 발전의 경우에도, 발전장치 1기에 의한 발전량이 충분하지 아니하므로, 가정이나 공장에서 사용하기 위한 충분한 전력을 생산하기 위해서는 대단위의 풍력 발전탑을 건설하여야 한다. 이러한 대단위 풍력 발전탑 건설을 위해서는 많은 면적이 필요할 뿐만 아니라, 큰 소음이 발생하게 되는 문제점이 있다.

따라서 대형 풍력 발전 시설을 설치할 수 없는 지역에서는, 주택이나 사무용 빌딩 등의 건물에 1~20kw 급의 옥외용 소형 풍력 발전장치를 설치하여 풍력 발전을 하는 방식이 시도되고 있다. 소형 풍력 발전장치는 대형 풍력 발전장치에 비해 비교적 낮은 풍속에서도 발전이 가능하다는 장점이 있는데, 건물에 사용될 때는 건물의 옥상에 별도의 발전탑을 설치하고 그 발전탑에 블레이드를 장착하는 것이 일반적이다.

하지만, 위와 같이 건물의 옥상에 별도의 발전탑을 설치하고 발전탑에 블레이드를 장착하여 발전을 하는 경우, 주풍향에 대해 효율적으로 발전 효과가 발휘되도록 위해서는, 블레이드 사이에 충분한 거리가 생기도록 발전탑을 설치하여야 한다.

한편, 통상적인 건물의 옥상에는 미관을 고려하여 장식 철물들이 설치되는 특성에 의해 난류가 발생하게 되며, 특히, 건물 옥상의 모서리에서는 풍속의 가변성 혹은 변동성이 매우 커지게 된다. 또한, 건물의 옥상 모서리에서 풍속 변동에 따른 압력 변동이 크게 발생하게 된다.

다시 말하면, 건물의 옥상에는 다수의 각종 장식철물들이 설치되는 특성에 의해 공기역학적인 측면에서 보면 공기유동이 크게 산란되어 난류(Turbulence)가 발생하게 된다. 이러한 난류발생은 풍력에너지 집중효과로 표현되는 매우 큰 풍속의 발생과는 반대로 풍력발전 측면에서 풍력발전의 효율을 저하시키는 부정적인 요인으로 작용한다. 이는 결과적으로 옥상부위에 발생하는 커다란 풍속으로 인하여 풍력발전이 유리해지더라도 커다란 난류가 발생하게 되면 반드시 유리하다고 할 수 없고 오히려 풍력발전이 저해될 수도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 건물 옥상에서 장식 철물과 동일한 형태를 가지는 풍속증강장치를 설치하여 풍속을 증폭하고, 풍속증강장치의 후단에 설치된 풍력 발전기에 작용하도록 함으로써 풍력 발전기의 발전 성능을 최대가 되도록 하여 건물 풍력 발전의 효율성을 강화시킬 수 있도록 하는 풍속 증강장치 및 이를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

건물 옥상의 바닥 끝단에 설치되는 제 1집풍 부재와; 상기 제 1집풍 부재의 후단인 건물 옥상 바닥에서 수직으로 설치되는 복수의 기둥; 및 상기 기둥에 설치되는 제 2집풍 부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 제 1집풍 부재는 그 단면 형상이 저면과 배면이 직각으로 형성되고, 전면에 곡면이 형성되는 형태로 형성된다.

여기에서 또한, 상기 제 2집풍 부재는 그 단면 형상이 S자 형태로 저면이 형성되고, 상면이 전단부에 곡면이 형성되고, 후단부에 하향 경사면이 형성된다.

여기에서 또, 상기 제 2집풍 부재는 집풍이 이루어지도록 이의 전단을 상기 제 1집풍 부재의 전단과 동일 선상에 위치시킨다.

본 발명의 다른 특징은,

건물 옥상의 바닥 끝단에 설치되는 제 1집풍 부재와, 상기 제 1집풍 부재의 후단인 건물 옥상 바닥에서 수직으로 설치되는 복수의 기둥과, 상기 기둥에 설치되는 제 2집풍 부재로 이루어지는 풍속 증강장치와; 상기 풍속 증강장치의 후단에 설치되어 상기 풍속 증강장치에서 집풍되어 가속된 풍력에 의해 회전되어 전기를 생산하는 풍력 발전장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 풍력 발전장치는 버티컬 타입 또는 프로펠러 타입이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 풍속 증강장치 및 이를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템에 따르면, 건물 옥상에서 장식 철물과 동일한 형태를 가지는 풍속증강장치를 설치하여 풍속을 증폭하고, 풍속증강장치의 후단에 설치된 풍력 발전기에 작용하도록 함으로써 풍력 발전기의 발전 성능을 최대가 되도록 하여 건물 풍력 발전의 효율성을 강화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템이 건물 옥상에 적용된 모습을 나타낸 설치 상태도이다.
도 2는 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템의 3차원 유동 효과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템의 속도 증가율에 따른 파워 증가율을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템이 건물 옥상에 적용된 모습을 나타낸 설치 상태도이고, 도 2는 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템의 구성을 나타낸 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템(1)은 풍속 증강장치(10)와, 풍력 발전장치(20)로 구성된다.

먼저, 풍속 증강장치(10)는 제 1집풍 부재(11)와, 기둥(13)과, 제 2집풍 부재(15)로 구성된다.

제 1집풍 부재(11)는 금속 또는 합성수지 재질로 건물 옥상(R)의 바닥 끝단에 설치된다. 여기에서, 제 1집풍 부재(11)는 그 단면 형상이 저면과 배면이 직각으로 형성되고, 전면에 곡면이 형성되는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

기둥(13)은 금속 또는 합성수지 재질로 제 1집풍 부재(11)의 후단인 건물 옥상(R) 바닥에서 수직으로 설치된다. 여기에서, 기둥(13)은 풍속의 영향을 최소화시키도록 유선형 또는 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.

제 2집풍 부재(15)는 유선형으로 형성되어 금속 또는 합성수지 재질로 기둥(13)에 수평하게 설치된다. 여기에서, 제 2집풍 부재(15)는 그 단면 형상이 S자 형태로 저면이 형성되고, 상면이 전단부에 곡면이 형성되고, 후단부에 하향 경사면이 형성된다. 여기에서 또한, 제 2집풍 부재(15)는 집풍이 이루어지도록 이의 전단을 제 1집풍 부재(11)의 전단과 동일 선상에 위치시키는 것이 바람직하다. 또한, 제 2집풍 부재(15)의 하향 경사면에는 솔라셀(미도시)을 설치할 수도 있고, 솔라셀을 설치하는 경우 태양광의 각도에 따라 가변되도록 제 2집풍 부재(15)의 각도가 가변되도록 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 풍력 발전장치(20)는 통상의 구조로 풍속 증강장치(10)의 후단인 건물 옥상(R) 바닥에 설치되어 풍속 증강장치(10)에서 집풍되어 가속된 풍력에 의해 회전되어 전기를 생산한다. 여기에서, 풍력 발전장치(20)는 버티컬 타입 또는 프로펠러 타입이 적용된다.

이하, 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템의 3차원 유동 효과를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템의 속도 증가율에 따른 파워 증가율을 나타낸 그래프이다.

먼저, 바람이 제 1집풍 부재(11)와 제 2집풍 부재(15)로 유입되면, 도 3에 도시된 바와 같이 제 1집풍 부재(11)의 곡면과 제 2집풍 부재(15)의 저면에 형성된 곡면에 의해 속도가 증가된다. 이때, 제 2집풍 부재(15)의 형태가 전단의 각도가 크고, 후단의 각도가 좁기 때문에 갈수록 바람의 속도가 증가된다.

이로 인해 바람의 속도가 5.5m/s에서 7.8m/s로 증가되고, 이는 약 140%에 달한다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 발전력은 풍속과 반비례한 형태로 증가되는 데, 5.5m/s에서 파워가 260W이면, 7.8m/s에서는 500W로 약 190%가 증가됨을 확인할 수 있다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 풍속 증강장치 11 : 제 1집풍 부재
13 : 기둥 15 : 제 2집풍 부재
20 : 풍력 발전장치

Claims (6)

1. 그 단면 형상이 저면과 배면이 직각으로 형성되고, 전면에 곡면이 형성되는 형태로 형성되어 건물 옥상의 바닥 끝단에 설치되는 제 1집풍 부재와;
   상기 제 1집풍 부재의 후단인 건물 옥상 바닥에서 수직으로 설치되는 복수의 기둥; 및
   상기 기둥에 설치되는 제 2집풍 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍속 증강장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2집풍 부재는,
   그 단면 형상이 S자 형태로 저면이 형성되고, 상면이 전단부에 곡면이 형성되고, 후단부에 하향 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍속 증강장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2집풍 부재는,
   집풍이 이루어지도록 이의 전단을 상기 제 1집풍 부재의 전단과 동일 선상에 위치시키는 것을 특징으로 하는 풍속 증강장치.
5. 그 단면 형상이 저면과 배면이 직각으로 형성되고, 전면에 곡면이 형성되는 형태로 형성되어 건물 옥상의 바닥 끝단에 설치되는 제 1집풍 부재와, 상기 제 1집풍 부재의 후단인 건물 옥상 바닥에서 수직으로 설치되는 복수의 기둥과, 상기 기둥에 설치되는 제 2집풍 부재로 이루어지는 풍속 증강장치와;
   상기 풍속 증강장치의 후단에 설치되어 상기 풍속 증강장치에서 집풍되어 가속된 풍력에 의해 회전되어 전기를 생산하는 풍력 발전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 풍력 발전장치는,
   버티컬 타입 또는 프로펠러 타입인 것을 특징으로 하는 풍속 증강장치를 구비한 건물 옥상형 풍력 발전시스템.

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